摩擦和润滑是一对矛盾,有时候我们需要摩擦,比如体操运动员手上抹的铝粉,或者看看我们的鞋底;
昆仑润滑油包括工业齿轮油、液压油、气轮机油、变压器油、冷冻机油、橡胶油、轴承油等等,在各行各业起到润滑作用。
滑雪这种运动时而需要摩擦力大,时而需要摩擦力小,运动员需要掌握摩擦和润滑的平衡。
前奏结束,先从历史开始吧,话说我一直觉得轮子是人类远古历史上很重要的发明,可能不亚于火吧。席德梅尔的《文明四》科技树里面,轮子是陶器的前置科技,一开始我理解不了,后来看到陶轮就理解了。现在已经发现,人类在旧石器时代发明的轴承,是用在陶轮里的,这就是人类最早利用技术手段克服摩擦的例子。同样,轮子里面也要用到轴承。
下面这张图是公元前1880年埃及人使用滑撬来搬运一个巨大雕像,如果大家看的仔细一点,可以看到雕像脚下的那个人正在喷洒一种液体,这就是最早的润滑油脂。说明约4000年前,人类已经学会利用润滑剂来减少摩擦了,可以想象金字塔的建立少不了这些润滑剂。
这里可以做一个题目:假设那个雕像重约60吨,总共有172个人,每个人的拉力有80公斤,问滑撬的摩擦系数有多大?
说完古埃及,然后就要说到达芬奇了,他实在太多才多艺了,从飞机搞到潜艇,在摩擦学上,也是最早提出摩擦定律和摩擦因数的人。他的手稿里白纸黑字的写着:摩擦因数是摩擦力和正压力之比,这后来被称为经典摩擦理论的第一摩擦定律。达芬奇的很多手稿都未出版,1699年,法国物理学家阿芒顿再次独立的发现了这个定律;同时他还提出了第二摩擦定律:摩擦力的大小和接触面积无关。这一点初中物理书上都有吧?再后来,静电学大牛库伦提出了摩擦学第三定律:滑动摩擦力跟初速度无关。你看,牛顿有运动学三定律,热力学也有三定律,我们摩擦学也有哦!
这三条定律都来源于经验的积累,不是基于原始物理图像推导出来的。后来人们也发现很多实际情况都和这些定律不相符,但是它们仍然是有用的。一直以来,科学家也不满足这种粗糙的经验公式,他们希望了解摩擦的本质是什么,得到更加精确的可量化定律。最早人们从坑洼的道路推想,物体表面可能也是坑洼的,只是这种凹凸更加细微,肉眼看不出来。物体互相接触,这些凹凸就互相阻碍,宏观上体现出来就是摩擦力?因此摩擦学里引入了“粗糙度”的概念,粗糙度越大,摩擦系数就越大。这当然是摩擦力的来源之一,当然这太简单了,一个中学生就能想到,但是微观世界远非我们想象的那么简单,我们还是要观察的更细微一点,要建立更加贴近实际的物理图像。显微技术发展起来以后,也可以更好的帮助我们验证这些物理图像。
我们要了解摩擦,就必须先认识物体的表面究竟是什么结构。现在我们知道,物质的表面是一个很复杂的多层结构,根据不同的形成机理,可以把分为六层:基底材料、变形层、贝氏层、化学反应层、化学吸附层、物理吸附层,我们接下来一层一层的说。
基底材料,就是基本的物质结构。变形层:材料表面成形的过程一般会经过磨削、挤压、抛光等等过程,这些残余的应力释放以后会影响材料的稳定性,所以会引起材料结构的变形。这种变形会从基底往外逐渐加重,现在可以用扫描电镜来看。贝氏层,这是一层表面分子产生流动之后通过淬火工艺,然后硬化沉积的一层,属于非晶体或者是微晶结构。这一层大约厚1-100nm。化学反应层:除了黄金、白金等贵金属,几乎所有的金属、合金以及硅等非金属都会被空气中的氧气氧化,镁铝的氧化膜就属于这一层。这一层大约厚10-100nm。再往上是化学吸附层,跟化学反应层的区别是:化学反应层的物质是发生化学反应后形成的新物质,吸附层里的化学物质仍然保持自己的化学性质,一般它们是单分子层。化学吸附层的化学物质一般通过共价键、氢键和材料表面发生吸附。最外层是物理吸附层,这一层的物质可能很厚,是一个多分子层,通过范德华力吸附。在材料学上,区分化学吸附层和物理吸附层是通过吸附热来判定的,化学吸附热比物理吸附热大很多,因为前者发生了电子交换,后者没有。所以,两个物体发生接触,实际上是两个千层汉堡在接触啊!
这是开玩笑,但是两个物体的接触的物理图像我们已经说清楚了:一方面是两个物体表面的凹凸,我们把它叫粗糙度,这个也可以测量的;另一方面则是两侧多层结构的互相作用。那我们知道了物体表面的物理图像,那么就可以知道两个物体接触以后发生滑动,一方面是表面的凹凸,也就是粗糙度在作祟,另一方面这是两个多层汉堡在互相打架。如果我们能在这两方面做工作,就能够做到减少摩擦力,做到润滑。
现在主要的润滑剂有四种:固体润滑、流体润滑、边界润滑、极压润滑,我们一种一种说。固体润滑:比如石墨、滑石粉等等,帮助修饰物质表面的粗糙度,比如我们婴儿用的爽身粉。
流体润滑:和古埃及人一样,用一些流体注入两个物体之间,一方面填充粗糙度,另一方面形成一个物理吸附层,如果这个物理吸附层的摩擦力更低,从宏观上就显得更加润滑了。这是我们最常见的润滑方式,比如我们手上出汗,就感觉手滑,因为水也可以起到润滑作用。还有机械、汽车里面用的机油,用的就是很多类型的矿物油,煤油等等。需要注意的是,流体润滑只是物理吸附,不能填充所有的接触面,所以如果使用一些铺展性好的流体,效果更好。在表面化学里,表面张力越低,铺展性越好,这就是为什么矿物油的效果比水要好的原因。
水的表面张力70,矿物油、植物油的表面张力30-40,而硅油的表面张力可以到30以下,所以硅油更加润滑。在我们身边也能看到硅油的影子,比如护手霜、洗发水、护发素里。大家千万不要被无硅洗发水的噱头骗了,我以一个有机硅多年从业者的人格向大家担保:有机硅跟人体没有任何反应性,留在头发里一万年也没有任何问题。
那么大家会想到了,再接下来,是不是要更深入一点,形成一个化学吸附膜了?恭喜你答对了!这就是边界润滑。边界润滑剂不仅有物理吸附,还有一些反应基团,比如羟基、羧基等极性基团,这些基团可以通过氢键吸附到物体表面,形成一种更加紧密的吸附膜。这个吸附膜不像流体润滑,由于是化学吸附,它可以分布到物体的几乎所有表面,因此润滑性更好。这种润滑,我举个例子:比如肥皂,大家都知道它很滑,因为它就是硬脂酸盐,硬脂酸的羧基可以和物体表面吸附成膜。工业上很多地方也用到皂类物质来润滑,比如硬脂酸钙乳液,油酸三乙醇胺,就是这个原理。
再往深了说就是形成化学反应层了,这就是极压润滑,现在所知的最牛逼的润滑方式。也就是通过一些化学物质与基材表面反应,生成一张很滑的化学反应层!这类化学物质我们把叫做极压剂,最常用的极压剂是氯、硫、磷的化合物。钢铁加工中都要用磷处理一下,既可以保护不腐蚀,也可以做到润滑表面,所谓的“磷化”一方面是防腐,另一方面也可以起到润滑作用。还比如硫可以跟铁表面形成一层光滑的硫化亚铁无机膜。
一般来说,液体润滑剂用的比较多,流体润滑、边界润滑甚至极压润滑是同时进行的。大家明白其中的道理就好,这个道理的基础就是物质表面的层级。现在摩擦学已经成为了一门学问,是一门跨界学科,牵涉到流体力学、化学、材料学、机械、热力学、固体物理等等。因为摩擦学跟很多行业的生产都很相关,所以也需要基础理论的跟进,我国清华大学有一个摩擦学重点实验室,其中的雒建斌院士就是这方面的专家。
现在业内的眼光更已经深入到微纳米摩擦学,之所以要深入到微纳米级别,是因为我们要更深层次的去认识物质表面的结构,才能更清晰的了解摩擦的实际机理。
我说了这么多,总结一下,摩擦力的各个层面都摆脱不了化学键的电子相互作用,实际上是多种很复杂的电磁力的结合。
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